内皮祖细胞和慢性阻塞性肺疾病

彭淮淮，梁桂宾，何智辉*（. 中南大学湘雅二医院，长沙 400；. 中南大学湘雅三医院，长沙 4003）

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种以持续呼吸道症状和不可逆气流受限为特征的疾病。由于持续面临风险因素和人口老龄化，COPD所造成的全球负担将在未来几十年持续加重，而其发病机制尚不完全明确。其治疗以控制症状、延缓疾病进展为原则，尚无可治愈药物。内皮祖细胞是内皮细胞的前体细胞，在出生后血管生成、血管再生及修复中发挥重要作用。近年来内皮祖细胞在COPD中的作用备受关注，本文就内皮祖细胞在肺气肿及COPD发病机制的研究进展进行综述。

1 内皮祖细胞的定义

内皮祖细胞是造血干细胞的亚类，主要来自骨髓，在功能和表型上与成熟的内皮细胞不同，可以在体外分化为内皮细胞，并在体内促进血管生成和血管稳态。在成人外周血中发现了两种内皮祖细胞：具有较高黏附能力和低增殖能力的早期内皮祖细胞、具有较低黏附能力和高增殖能力的晚期内皮祖细胞。早期内皮祖细胞呈纺锤形，主要存在于骨髓中，特异性表达CD34、CD45和VEGFR-2（KDR/Flk-1），增殖能力低，形成集落及小管的能力弱，但具有促血管生成旁分泌能力。晚期内皮祖细胞呈鹅卵石状，具有较强的增殖能力，可促进血管新生，也被称为内皮集落形成细胞。晚期内皮祖细胞能归巢至缺血坏死组织处，通过融入新生微血管壁来形成新的毛细血管，分泌多种促血管因子（如粒细胞克隆刺激因子、内皮型一氧化氮合酶等），促内皮新生，促损伤血管修复。

2 内皮祖细胞和COPD

内皮祖细胞在生理和病理情况下参与血管生成，在各系统疾病中起重要作用。COPD的主要病理变化包括微血管损伤和肺动脉高压。本文回顾了内皮祖细胞的数量和功能对COPD患者或肺气肿动物模型的影响。

2.1 临床研究

2.1.1 内皮祖细胞的数量和COPD 内皮祖细胞的数量在COPD的发生和发展中起着重要作用。研究表明，循环内皮祖细胞数量的减少参与了COPD的进展，并与疾病的严重程度相关。早期 COPD（GOLD 1）患者循环内皮祖细胞数量增加，在修复和重建血管的同时也导致动脉壁增厚和肺部高压。晚期COPD患者（GOLD 2～4）、稳定期COPD患者循环内皮祖细胞数量减少，与稳定期COPD患者相比，急性加重期COPD（AECOPD）患者内皮祖细胞数量明显减少。然而，Sala等研究却证明，与稳定期COPD患者和健康对照组相比，AECOPD患者内皮祖细胞数量更多，但稳定期COPD患者和对照组之间的内皮祖细胞数量没有显著差异。另一项研究表明，与吸烟对照组相比，中度COPD（GOLD 2）患者内皮祖细胞数量下降，而重度COPD（GOLD 4）患者内皮祖细胞数量无明显差异。Huertas等发现，与体质量指数（BMI）正常的COPD患者相比，低BMI的COPD患者的内皮祖细胞数量显著降低，并且炎症因子如肿瘤坏死因子

α

（TNF-

α

）、白介素6（IL-6）和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）升高，提示内皮祖细胞下降可能与炎症有关。此外，与性别、年龄和吸烟状况均相当的对照组相比，COPD 患者（GOLD 3）的外周循环内皮祖细胞数量无明显减少，这可能是全身炎症和低氧血症所致。研究中使用的不同内皮祖细胞表型、不同计数方法可能是导致这些研究结果不一致的原因。

2.1.2 内皮祖细胞的功能和COPD 肺泡巨噬细胞在分泌促炎症介质和蛋白酶方面的功能障碍可以诱导氧化应激，吞噬凋亡细胞，从而促进COPD 的进展。COPD 患者出现内皮功能障碍和细胞凋亡，可引起肺血管的减少和重构。内皮祖细胞的基本功能包括分泌、黏附和增殖等。研究表明内皮祖细胞功能的改变可能影响 COPD 的进展。

许多细胞因子，如血管内皮生长因子（VEGF）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、基质细胞衍生因子-1

α

（SDF-1

α

）、促红细胞生成素（EPO），神经营养因子，神经生长因子和肝细胞生长因子都能促进内皮祖细胞向组织特定部位的归巢。血管趋化因子（CCL2、CXCL1、CXCL7、CXCL12）与其相应受体（CCR2、CXCR2、CXCR4）的相互作用调节在归巢过程中内皮祖细胞的迁移、募集和黏附。

吸烟者和 COPD 患者的内皮祖细胞功能和生物活性受损。在低BMI的COPD患者（GOLD 2～3）中，VEGF和造血生长因子水平显著降低，影响了内皮祖细胞的归巢和动员能力。Liu等招募了25名有吸烟史的 COPD 患者（GOLD 2～3）和16名健康、年龄匹配、不吸烟的志愿者。测试了所有受试者内皮祖细胞的管道形成能力、血小板/内皮细胞黏附分子1（PECAM-1）在内皮祖细胞表面的表达、内皮祖细胞集落形成单位的数量以及 CXCR4在内皮祖细胞中的表达。结果表明，COPD 患者血管形成明显减少，早期内皮祖细胞中CXCR4表达降低，增殖能力受损，集落形成单位数量减少，晚期内皮祖细胞中PECAM-1表达明显减少。此外，AECOPD患者的早期内皮祖细胞迁移能力下降，不能诱导血管形成，CXCR4表达减少更为明显，而稳定期COPD患者的晚期内皮祖细胞在血管形成方面存在明显缺陷。与稳定期COPD患者的晚期内皮祖细胞相比，AECOPD晚期患者的内皮祖细胞附着于基质胶诱导的小管数量明显减少。Liu等和Yang等研究均指出COPD患者内皮祖细胞黏附能力下降，增殖能力明显受损。

微小RNAs（miRNAs）是一类非编码RNA分子，可以调节细胞的增殖、分化和凋亡。miR-34a和miR-126参与内皮祖细胞活性的调节。p53可上调miR-34a的表达，诱导细胞凋亡，而miR-126-3p 可促进内皮祖细胞的释放。沉默信息调节因子1（Sirt1）通过调节p53依赖性凋亡来抑制促凋亡蛋白的表达。

p16

基因属于INK4基因家族，是仅次于p53的常见肿瘤抑制基因，在细胞衰老中起关键作用。

Kato等招募了252名吸烟COPD患者和106名吸烟非COPD者，检测了所有受试者内皮祖细胞、Sirt1 RNA、miR-34a和miR-126的表达数量。与吸烟非COPD者相比，中度COPD患者内皮祖细胞数目和Sirt1 RNA以及miR-126-3p的表达均显著降低，而miR-34的表达显著增加，内皮祖细胞的衰老与凋亡增加。然而上述项目在吸烟非COPD者与重度COPD患者中无明显差异。而重度COPD患者中内皮祖细胞和miR-126-3p水平相对较高可能与激素的使用以及治疗时间的差异性有关。

与吸烟非COPD患者相比，吸烟COPD患者外周血内皮祖细胞中p16 mRNA及蛋白表达显著增高，增殖能力降低，存在G/S期停滞。敲除COPD患者内皮祖细胞中

p16

基因可以显著减轻这些患者内皮祖细胞的细胞周期停滞。TNF-

α

是体外祖细胞凋亡的有效诱导剂，可促进内皮祖细胞凋亡，而COPD患者的TNF-

α

水平升高。

吸烟引起的氧化应激是COPD的主要危险因素。与健康非吸烟者相比，吸烟者和COPD患者（GOLD 2）的内皮祖细胞中DNA衰老和损伤水平更高，血管生成能力受损，且这些变化与年龄无关，表明香烟烟雾诱导的氧化应激可导致内皮祖细胞的系统性损伤，而其子细胞可以“继承”这种DNA损伤，从而引起表观遗传变化。

COPD合并慢性低氧血症的患者血浆去甲肾上腺素水平和

β

2AR的活化均升高，导致活性氧（ROS）表达增加和内皮祖细胞功能障碍。予以

β

2AR拮抗剂治疗后，可以观察到内皮祖细胞内ROS的表达降低，增殖能力提高。

重组人C反应蛋白（CRP）在一定浓度下（≥15 mg·mL）可显著减少内皮祖细胞的数量，并抑制其功能。AECOPD 患者的CRP和IL-6表达升高，内皮祖细胞数量减少，且功能受损，这表明内皮祖细胞功能障碍可能与炎症反应增强有关。

COPD患者肺中内皮间充质转化（EndMT）的过程被激活。间充质细胞是修复伤口的关键结缔组织细胞。成纤维细胞是肺中主要的间充质细胞，在气道重塑和肺泡组织间质修复中起重要作用。EndMT意味着内皮细胞失去黏附特性和极性，形成高度侵袭性的成纤维细胞/成肌纤维细胞。据报道，内皮祖细胞可以在许多疾病中转化为间充质样细胞。COPD患者中是否存在EndMT或内皮祖细胞转化为间充质样细胞尚需进一步研究。

2.2 基础研究

肺气肿是COPD的主要病理特征，也是COPD发病机制研究的热点。肺气肿动物模型的建立有多种方式，根据不同的机制，采用了各种建模方法来建立肺气肿或COPD的动物模型，从而使探索内皮祖细胞在COPD发病机制中的作用成为可能。

2.2.1 动物模型中内皮祖细胞的数量 研究表明，肺气肿小鼠中内皮祖细胞的数量明显减少。胰高血糖素样肽1（GLP-1）可以减轻肺内炎症反应，增加小鼠内皮祖细胞数量，降低肺气肿面积。Shi等将内皮祖细胞移植到径吸烟诱导的 COPD 小鼠气管中，发现内皮祖细胞数量增加可以减轻肺气肿，降低气道阻力，增加肺顺应性。

2.2.2 动物模型中内皮祖细胞的功能

① 内皮祖细胞的生物活性：基质金属蛋白酶（MMPs）与许多生理和病理过程有关，其中MMP-2和 MMP-9通过不同的基质蛋白在肺组织重建和修复中起重要作用。MMP-9可以释放可溶性配体（sKitL）将静止状态的造血干细胞变为增殖状态，同时，MMP-9还可通过细胞外间质降解、中性粒细胞趋化和炎症增强等途径介导肺部炎症反应。MMP-2可损害内皮祖细胞功能，特别是血管生成能力。MMP-2和MMP-9在COPD 患者和肺气肿小鼠中的表达均升高。但也有研究发现肺气肿小鼠的MMP-9活性、

c-Kit

基因和蛋白的表达以及sKitL水平均降低，导致从骨髓到外周血的内皮祖细胞供应减少。② 炎症反应与内皮祖细胞：在COPD整个过程中以及急性发作期间，炎症反应被认为是最重要的机制。在吸烟诱导的COPD小鼠中，气管内内皮祖细胞移植降低了肺组织中MMP-2、MMP-9的活性和TUNEL阳性细胞的数量，因此减少了气道炎症，减轻了肺气肿。内皮祖细胞在体外抑制脂多糖（LPS）刺激的嗜中性粒细胞中TNF-

α

、IL-1

β

、髓过氧化物酶（MPO）和MMP-9的分泌，减少炎症细胞的浸润，减轻肺损伤。

③ 氧化-抗氧化失衡与内皮祖细胞：氧化-抗氧化剂失衡是COPD的重要机制，在AECOPD患者中，ROS引起的氧化应激反应增加。香烟烟雾和其他有害颗粒物在吸入时会产生过多的氧化物，从而直接损害肺组织。氧化物不仅可以直接破坏蛋白质、脂质和核酸等生化大分子物质，导致细胞功能障碍或细胞死亡，还可以破坏细胞外基质，引起蛋白酶-抗蛋白酶失衡。

Shi等以香烟烟雾暴露法建立COPD小鼠模型，并在第30日和第90日对COPD小鼠气管注射内皮祖细胞。第120日测定肺功能、细胞凋亡、炎症细胞、MMP-2和 MMP-9的水平，结果表明，注射内皮祖细胞可以增强肺泡中MMP-2和MMP-9的表达。早期和晚期内皮祖细胞治疗均能明显抑制小鼠血清和肺泡灌洗液的抗氧化活性的降低，减轻肺气肿的发生，且早期干预组的抗氧化活性高于晚期干预组。这提示内皮祖细胞气管内注射可能通过减轻炎症浸润、抑制蛋白水解酶活性、提高抗氧化活性等途径减轻肺气肿，延缓肺功能障碍的进展。

④ 内皮祖细胞和弹性蛋白酶-抗弹性蛋白酶失衡：弹性蛋白酶系统失衡会分解COPD患者肺部的组织蛋白。炎性细胞可以释放弹性蛋白酶，过多的弹性蛋白酶会损害肺实质，造成肺气肿。内皮祖细胞可在体外抑制中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）的分泌，体内移植的内皮祖细胞可以下调NE水平并减轻肺损伤。内皮祖细胞还可能参与了肺气肿或COPD中弹性蛋白酶失衡的机制。肺气肿小鼠的Alpha1-抗胰蛋白酶浓度降低。气管内注射内皮祖细胞可降低MMP-2和MMP-9的表达，抑制蛋白水解酶的活性，并部分缓解吸烟引起的肺气肿。内皮祖细胞移植可以通过抑制NE表达减轻大鼠肺损伤，通过调节蛋白酶系统并控制内皮祖细胞对血管生成过程的影响，有效地控制病理性血管生成。然而，另一项研究发现，内皮祖细胞可以表达NE，通过调节脂联素的活性和修复受损血管能力来改善内皮功能。但是，在COPD或肺气肿的动物模型中还没有这方面的相关研究。

⑤ 内皮祖细胞和表观遗传学变化：5-Aza-2'-脱氧胞苷（5-Aza-CdR，又名地西他滨）是使用最广泛的DNA甲基化抑制剂，可触发脱甲基化，从而导致表观遗传沉默基因的连续激活。5-Aza-CdR可以显著降低CSE处理小鼠内皮祖细胞中的p16 mRNA的升高。CSE处理后小鼠内皮祖细胞的增殖、黏附和分泌能力降低，eNOS的表达水平下降，而地西他滨可以减轻上述变化。此外，地西他滨能增强CSE诱导的肺气肿小鼠内皮祖细胞和肺组织中干细胞抗原-1（Sca-1）的表达，从而改善小鼠肺气肿。这些结果提示，DNA甲基化影响了内皮祖细胞的功能障碍和衰老，这可能与肺气肿的发病机制有关。

2.3 内皮祖细胞在 COPD 治疗中的应用

一项研究招募了80例COPD合并肺动脉高压的患者，分为对照组和治疗组。对照组常规给予氧气、抗感染、祛痰等治疗，治疗组给予Rho激酶抑制剂法舒地尔和常规治疗。结果显示，法舒地尔降低了COPD和肺动脉高压患者的肺动脉压，其机制之一是外周血中内皮祖细胞数量增多和功能增强减少了肺内皮的损害并改善了肺血管结构的重建，从而达到治疗效果。另一项研究比较了内皮祖细胞移植加常规疗法与单纯常规疗法对特发性肺动脉高压患者的疗效。结果显示，内皮祖细胞移植加常规治疗组的患者在6 min内行走距离显著增加，平均肺动脉压、肺血管阻力明显下降，心输出量上升。在小鼠模型中，内皮祖细胞的气管内移植可通过减少炎症浸润，减少凋亡，抑制蛋白水解活性和增加抗氧化活性来减轻肺气肿和肺功能障碍。由此看来，提高内皮祖细胞数量或提升其功能可能对COPD患者大有裨益。此外，已有临床研究证实，通过动员内皮祖细胞可以促进慢性迁延不愈伤口的好转，内皮祖细胞移植后心肌梗死患者的心肌存活率和灌注显著增加，内皮祖细胞自体移植对严重肢体缺血患者具有明显疗效。这些研究也提示：除了戒烟和运动，外源性祖细胞或负责激活内源性祖细胞体液因子的给药可能是新的COPD的潜在疗法。

在COPD患者和肺气肿动物模型中，内皮祖细胞数量的变化和生物学活性的损害是导致COPD或肺气肿进展的重要因素。此外，肺气肿的主要发病机制，例如炎症、氧化-抗氧化失衡、表观遗传学等，也与内皮祖细胞相关，内皮祖细胞在COPD或肺气肿发病机制中的重要性有目共睹，促进内皮祖细胞在血管生成中作用的潜在机制可被视为COPD末来新治疗方法的努力方向。